初中物理液体压强问题的探究

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  【摘 要】液体压强是初中物理的重要知识点,很多学生对液体压强问题认识不清晰,解题的过程中出错率较高。为帮助学生更好地理解液体压强问题,掌握液体压强产生的本质,提高学生分析问题的灵活性以及解题能力,教师应注重结合学生容易混淆的知识点创设相关的问题情境,在课堂上与学生一起探究,使学生更好地掌握分析液体压强问题的思路。
  【关键词】初中物理;液体压强;临界问题
  【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437(2021)22-0159-02
  笔者在教学中发现一些学生通常是死记硬背液体压强公式,解题时也经常出现张冠李戴的现象,究其原因是学生对液体压强公式的本质理解不深。为防止上述情况的发生,提高学生的解题能力,教师应注重结合具体的问题情境与学生一起探究液体压强问题的解题过程。
  1   液体压强深度的理解
  液体压强的计算公式为p=ρgh,但很多学生对公式中的“h”理解不深,导致在解题的过程中出错。“h”表示受液体压强的点与液面的垂直距离而非高度,一些学生常在看到一些倾斜的容器时,错误地将受液体压强的点和液面的距离参数代入到“h”中[1]。为使学生深刻理解“h”的含义,教师在教学中应注重利用多媒体为学生展示不同形状的容器,为学生深入剖析容器中不同点所受压强的情况,尤其是通过讲解液体压强的产生本质,即液体的压强是由液体的重力引起的,使学生准确把握“h”的本质。同时,教师要注重为学生讲解相关例题,给学生预留一定的思考、讨论时间,进一步强化学生对液体压强深度的认识与理解[2]。
  如题:已知在同一水平桌面上放置甲、乙、丙、丁四个容器,如图1所示。其中甲、乙、丙中装有酒精,丁容器装水。A、B、C、D分别为四个容器液体中的一点,D点在“L”形容器水平部分的顶部,四点距离液面的垂直距离均为5.5 cm。
  (1)已知 ρ酒精=0.8×103kg/m3,乙容器中酒精对B点的压强为    Pa,丁容器中水对D点的压强为    Pa(g取10N/kg)。
  (2)A、B、C、D四个位置受到液体的压强的大小关系为:pA     pB     pC     pD。
  分析:不管四个容器的形状如何,由液体压强公式p=ρgh可知,在ρ相同或已知的条件下,只需算出h的值即可算出压强,其中h的值表示的是要求解的点和液
  面的垂直距离。此题中pB=ρ酒精gh=0.8×103kg/m3×10N/kg
  ×5.5×10?2m=440 Pa,pD=1.0×103kg/m3×10N/kg
  ×5.5×10?2m=550 Pa。因四个容器中要求点的压强与液面的垂直距离相同,因此,液体密度越大压强也就越大,则pA=pB=pC  2   同种液体的压强问题
  在分析同种液体压强问题时应紧紧围绕液体压强的计算公式,既然是同种液体,则影响液体压强的因素只有“h”。笔者在教学中发现,一些学生容易受液体形状的干扰而做出错误的判断。事实上为更好地解答相关习题,应具体问题具体分析。解决问题的关键在于准确分析研究对象垂直方向上液体的分布情况[3]。教师在教学中应注重筛选经典例题为学生讲解不同容器中不同位置液体压强的分析思路,还可设计相关问题与学生在课堂上积极互动,适时点拨学生。另外,为使学生更好地区分液体压强与固体压强,能根据具体情况灵活地选择计算公式,教师应注重设计相关问题,要求学生分析、解答。
  如题:如图2中A、B、C为底面积、质量均相同而形状不同的三个容器,其中A容器底面小开口大,B容器为圆柱形,C容器底面大开口小。向三个容器中加入等高的同种液体,则液体对容器底部的压强大小关系为:    ;容器对桌面的压强的大小关系为:     。
  分析:A、B、C三个容器中装的是同种液体,而且高度相同,由p=ρgh可知液体对容器底部的压强大小相等,即pA=pB=pC;三个容器的质量相等,底面积相等,但装入液体的质量不相等,大小关系为:mA>mB>mC,由 p=F/S可知容器对桌面压强的大小关系为:PA>PB>PC。
  3   不同種液体的压强问题
  分析不同种液体压强问题时,由液体压强公式可知需要分析液体的密度ρ以及h两个参数,分析 ρ的大小时可运用质量与体积的关系、浮沉条件等知识进行判断。学生解答该类习题时应从给出的已知条件入手,明确容器的底面积大小是否相等,通过观察判断出容器的体积大小关系,然后运用给出的液体质量,便可得出液体密度大小关系。教师在教学中为提高学生分析该类问题的能力,应结合学生学习实际,创设相关的问题情境,提出学生容易搞混淆的问题,然后与学生一起分析,在加深学生印象的同时,使学生能清晰地认识不同问题间的区别与联系,选择正确的计算公式,代入正确的参数[4]。
  如题:如图3,甲、乙、丙为三个底面积大小相等(质量与厚度忽略)的容器,乙容器为圆柱形,甲容器底面大开口小,丙容器底面小开口大。向三个容器中分别装入深度和质量均相同的三种液体。
  (1)液体的密度的大小关系为:ρ甲    ρ乙    ρ丙。
  (2)液体对容器底部的压强大小关系为:p甲    p乙
   p丙。
  (3)液体对容器底部的压力大小关系为:F甲    F乙
   F丙。   (4)容器底部对桌面的压力大小关系为:F'甲    F'乙
   F'丙。
  (5)容器底部对桌面的压强大小关系:p'甲    p'乙
   p'丙。
  分析:三个容器中装入液体的深度和质量均相同,底面积大小相等,则液体体积关系为V甲<V乙<V丙,由ρ=m/V,则ρ甲>ρ乙>ρ丙;由p=ρgh可知h相同,则液体密度越大,液体对容器底部的压强越大,即p甲>p乙>p丙;由压力定义可知,F=pS,三个容器的底面积相等,则压强越大受到的压力也就越大,即F甲>F乙>F丙;容器底部对桌面的压力和容器及其液体质量有关,但容器质量不考虑,因此,液体的质量越大容器对桌面的压力越大,三个容器中液体质量相等,则F'甲=F'乙=F'丙;而p=F/S,容器底面积大小相等,则 p'甲=p'乙=p'丙。
  4   液体压强中的临界问题
  初中物理有关液体压强的问题情境灵活多变,其中部分习题涉及临界问题,对学生分析问题的能力要求较高。解答该类问题的关键在于准确地把握临界点,找到引起临界点发生改变的内在原因。事实上临界点就是物体受力改变的点,因此,分析这类问题应明确物体所受的力是增加了还是减少了,运用受力分析知识构建对应的等式关系。教师在课堂上仅仅讲解相关的理论是不行的,应注重为学生讲解相关习题的解题过程,为学生做好解题的示范,使学生真正掌握分析液体压强中的临界问题的思路与方法。
  如題:在水平桌面上放置一底面积为200 cm2的加入适量水的薄壁圆锥形容器,将两端开口的玻璃管下端口用一薄塑料片堵住,而后插入水中24 cm深的位置,则水对塑料片向上的压强为    Pa。而后向管中缓缓倒入某种液体,液面高出水面6 cm时,塑料片刚好下沉,则塑料片受到水的压力    (选填“小于”“等于”“大于”)管中液体的重力,管中液体对塑料片向下的压强为    Pa,管中液体的密度为    kg/m3(忽略塑料片质量,g取10N/kg)。
  分析:水对塑料片向上的压强可由液体压强计算公式计算求得,p=ρgh=1×103kg/m3×10N/kg×0.24 m=2400 Pa。向管中倒入液体后塑料片会受到管中液体压力和管外液体压力的共同作用,塑料片刚好下沉,由平衡条件可知塑料片受到的压力大小相等,方向相反。针对同一塑料片,由F=pS可知其受到的压强大小相等,即p液=p水,而p液=ρ液gh,这里需要注意,因液面高处水面6 cm,因此,塑料片受到的压强是液体高6 cm+24 cm=30 cm产生的,即h=30 cm,则ρ液=p液/gh=p水/gh==0.8×103kg/m3。
  教师在初中物理液体压强教学中要为学生创设尽可能多的问题情境,锻炼学生思维的灵活性,深化学生对液体压强本质的理解,尤其要重视与学生一起辨析容易混淆的问题,使学生能够迅速找到正确的解题思路,提高解题效率,增强解答液体压强问题的自信心。
  【参考文献】
  [1]李成超.浅析初中物理液体压强教学过程中常见问题及对策[J].新课程,2020(49).
  [2]孙铁军.浅谈初中压力压强疑难问题的突破策略[J].数理化解题研究,2020(14).
  [3]王碧鸿,张皓晶,李肖,桑蕊蕊,张雄.对几组液体压强现象的分析[J].湖南中学物理,2018(6).
  [4]鲁山印.基于高阶思维下的物理教学设计探究——以液体压强教学为例[J].考试周刊,2020(54).
  【作者简介】
  王丹(1986~),女,汉族,吉林延吉人,硕士,中学一级教师。研究方向:初中物理教学与研究。
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